Развитие представлений о взаимодействии
Если движение, как было сказано в разделе 1.5 – это способ сущест-вования материи, то взаимодействие – это основная причина данного дви-жения, т.е. условие существования материи. Взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их происхождения и системной орга-низации, и представляет собой активность и направленность действия од-ного элемента системы на другой. Необходимой стороной и результатом взаимодействия является связь – такое отношение между элементами, при котором изменение свойств одного вызывает изменение соответствующих свойств другого. Особенности различных взаимодействий и обусловленных ими связей определяют условия существования и специфику свойств матери-альных объектов в целом, поэтому известные к настоящему моменту времени (см. ниже) виды взаимодействий называют ещё фундаментальными взаимо-действиями в природе, обеспечивающими целостность и устойчивость об-разующих её материальных систем.
Исторически первым предметом исследования ученых стало гравита-ционное взаимодействие. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, подчиняется принципу дальнодей-ствия (см. раздел 1.3) и определяется законом всемирного тяготения Нью-тона. Согласно данному закону гравитация отвечает за динамическую устой-чивость планетных и звездных систем космоса. Ньютон это доказал строго математически, рассчитав ускорения двух противоположных по направле-нию своего действия сил – центростремительной, с которой Луна притяги-вается к Земле, и центробежной, с которой, благодаря своему «разгону» по околоземной орбите, она пытается «преодолеть» земную гравитацию. Расче-ты показали совпадение противоположных по направлению, но одинаковых по величине ускорений с высокой точностью (0,0027 м/с2). Сейчас эти выкла-дки Ньютона в виде задачи по небесной механике приводятся в школьном учебнике физики за 9 класс, но когда он их впервые изложил на заседании Лондонского королевского научного общества, этот день, 28 апреля 1686 го-да, в истории науки получил название «триумфа теории всемирного тяготе-ния». Получила объяснение загадка тысячелетий – миллионы лет тела менее тяжелые свободно падают, не чувствуя, благодаря своему движению по кру-говым орбитам, веса, в поле тяготения тел более массивных, как центров этого тяготения, обеспечивая стабильность существования основных материальных систем космоса – галактик. Но только более чем через сто лет после этого английский физик и химик Г. Кавендиш осуществил лабораторную, т.е. в земных условиях, демонстрацию и измерение силы гравитационного притяжения тел.
После обнаружения полевой формы материи было открыто сначала электростатическое взаимодействие, проявляющееся во взаимном притяжении разноименных и во взаимном отталкивании одноименных постоянных электрических зарядов. Неподвижные электрические заряды создают именно такое, постоянное по напряженности электростатическое поле, но когда данные заряды движутся, возникают уже переменные по своей напря-женностидва других поля – электрическое и магнитное. Их синхронное на-ложение друг на друга создает непрерывное, подчиняющееся другому принципу передачи энергии – принципу близкодействия (см. раздел 1.3) – электромагнитное поле – переносчик одноименного взаимодействия. Благодаря ему возникают молекулы и происходят химические реакции. Электромагнитным взаимодействием определяются изменения агрегатного состояния вещества, величины сил трения, упругости, поверхностного натяжения и других, оно отвечает за прочность межмолекулярных связей, а, следовательно, ответственно за устойчивость структуры состоящего из молекул вещества (тел). Электромагнитное взаимодействие является основным в химии и биологии.
Развитие представлений о взаимодействии на этапе неклассического ес-тествознания было связано, прежде всего, с проникновением науки в глуби-ны атома (см. раздел 1.4). Сначала выяснилось, что устойчивость его струк-туры обеспечивается тем же электромагнитным взаимодействием между по-ложительно заряженным ядром атома и его отрицательно заряженной элек-тронной оболочкой. Далее оказалось, что внутри атомных ядер проявля-ются два новых фундаментальных взаимодействия – сильное и слабое. Пер-вое отвечает за стабильность ядер атомов, обеспечивая связь протонов и нейтронов между собой, имеет радиус действия, ограниченный размерами атомного ядра (10-15 м), и подчиняется принципу близкодействия (см. выше). В стабильном веществе, находящемся, например, в земных условиях, силь-ное взаимодействие себя не проявляет, оно просто обеспечивает высокую устойчивость ядер атомов. Но если происходит столкновение ядер или их частей – нуклонов (см. выше), обладающих высокой энергией, как это имеет место в недрах звезд за счет колоссальной температуры, происходит реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением этими звездами огромной энергии.
Слабое взаимодействие вызывает медленно протекающие естествен-ные процессы распада элементарных частиц, в результате которых одни химические элементы превращаются в другие. Одним из главных таких про-цессов является, к примеру, происходящее внутри атомного ядра превраще-ние нейтрона в протон (именно поэтому слабое взаимодействие было обна-ружено только после открытия явления естественной радиоактивности). Ра-диус его действия ещё меньше (10-18 м) и оно также подчиняется принципу близкодействия.
Следует отдельно уточнить, что данные четыре фундаментальных вза-имодействия присутствуют в любых материальных системах, но в разных, от-граниченных друг от друга областях существования таких систем (уровнях организации материи, как будет показано в теме 3 данного лекционного кур-са) соотношение этих взаимодействий тоже разное.Так, за стабильность материальных систем космоса, как уже говорилось, отвечает доминирующее там гравитационное взаимодействие. В земных условиях всё определяется электромагнитным и, в меньшей мере, тем же гравитационным взаимодей-ствиями. Устойчивость структуры атома, как тоже было только что сказано, обеспечивают целых три фундаментальных взаимодействия из четырех. Без сильного и слабого взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции, идущие в недрах звезд. В силу этого соотношение по силе всех взаимодейст-вий между собой корректно можно показать на примере только конкретной материальной системы, например, атома. Если взять за единицу силу наи-более мощного из них – сильного – то электромагнитное взаимодействие сла-бее его в 100 раз (это объясняет, кстати, почему протоны ядра атома не разле-таются под воздействием электромагнитных сил отталкивания), слабое – в 10-14 раз, а гравитационное – в 10-38 раз.
Установленный факт ответственности конкретного числа взаимодейст-вий, как сил, определяющих устойчивость и стабильность всех природных объектов, потребовал уточнения уже имевшихся научных представлений об их сущности. Так, для исчерпывающего доказательства единства двух форм существования материи – вещества и поля (см. раздел 1.4) – необходимо бы-ло произвести квантование сильного, слабого и гравитационного фундамен-тальных взаимодействий, т.е. найти кванты, которые, подобно тому, как фо-тон переносит электромагнитное взаимодействие, являются их частицами-пе-реносчиками. Тогда, в полном соответствии с научным методом (см. раздел 1.2), гипотеза корпускулярно-волнового дуализма, как прошедшая верифи-кацию более поздними эмпирическими фактами, приобретала бы статус зако-на природы (там же).
Данная задача решалась уже на современном, четвертом этапе исто-рии естествознания. Было установлено, что переносчиками сильного взаимо-действия, связывающего кварки в адроны (см. раздел 1.4), являются его кван-ты – глюоны (от англ.glue – клей). Существует 8 разновидностей глюонов, реализующих данное фундаментальное взаимодействие не только между кварками, но также между протонами, нейтронами и нуклонами (см. выше). Подобно кваркам, глюоны не существуют в свободном состоянии (см. раздел 1.4), поэтому их существование тоже доказано только косвенно (там же). Уточняя, как только что было показано, представления о материи(см. раз-дел 1.4), добавим к сказанному там, что глюоны «рождаются» физическим вакуумом вместе с парой «кварк + антикварк», и когда при её аннигиляции нарушается симметрия, «уцелевшие» кварки (или антикварки?) глюоны прев-ращают в адроны (см. выше), или, опять же, в антиадроны (?).
С одной стороны более причудливо, а с другой – более успешно в этот же период времени сложились представления о квантовой природе другого фундаментального взаимодействия – слабого. Сначала в 60-х годах появи-лась теория, объединяющая два известных взаимодействия – уже доказав-шееэту свою природу электромагнитное и ещё не проквантованное слабое – в одно новое, а именно, в электрослабое. Данная теория практически одновременно была создана двумя независимо работавшими физиками – американцем С. Вайнбергом и пакистанцем А. Саламом. Согласно ей, слабое взаимодействие переносится тремя видами своих квантов, получивших наз-вание бозонов (в честь индийского физика Ш. Бозе). Радиус его действия чрезвычайно мал – если сильное взаимодействие происходит, как было сказанно выше, в пределах ядра атома (10-15 м), то слабое взаимодействие простирается на расстояние порядка 10-17 – 10-24 м. На основании этого факта из теории Вайнберга – Салама следовало, что переносчики такого взаимодействия – бозоны (см. выше) – должны иметь массу, и когда данное предпо-ложение в 1983 году было экспериментально проверено на известном Боль-шом адронном коллайдере, физики обнаружили все три бозона, обладающие именно теми свойствами, которые ранее приписывала им теория. Однако та-кой триумф теории электрослабого взаимодействия (С. Вайнберг, А. Салам, Ш. Глэшоу, Нобелевская премия 1979 г.) в который уже раз, в соответствии с сущностью научного метода (см. раздел 1.2), инициировал противоречие между новой и старой теориями в интерпретации одного и того же факта.
Эта «старая», т.е. более ранняя по отношению к теории электрослабого взаимодействия, интерпретация, в лице так называемой Стандартной моде-ли физики частиц утверждала, что все частицы – переносчики фундамен-тальных взаимодействий в природе – должны быть безмассовыми, т.е. не иметь массы покоя. И два из четырех этих квантов – фотон (переносчик эле-ктромагнитного взаимодействия) и глюон (переносчик сильного взаимодейс-твия) – согласно многочисленным экспериментальным данным, действитель-но имеют нулевую массу, чего нельзя сказать о квантах слабого взаимодей-ствия – бозонах (см. выше).
«Спасение» ситуации происходило по сценарию, схожему с разреше-нием «ультрафиолетовой катастрофы» (см. раздел 1.4). Подобно Планку (там же) английский физик П. Хиггс и его бельгийский коллега Ф. Энглер предпо-ложили существование особого вида имеющих массу элементарных частиц, с которыми безмассовые фотоны и бозоны взаимодействуют, а, точнее говоря, сливаются по-разному, и в зависимости от условий этого слияния они, оста-ваясь квантами общего – электрослабого – взаимодействия, реализуют раз-ные его частные случаи – электромагнитное или слабое взаимодействие со-ответственно. Таким образом, предложенная Хиггсом и Энглером гипотеза, инкорпорировала (включала) «старую» Стандартную модель (см. выше) в но-вую теорию электрослабого взаимодействия, т.е. демонстрировала очередное подтверждение правоты принципа соответствия – второй тенденции развития естествознания (см. раздел 1.3).
Продолжая аналогию с судьбой квантовой гипотезы, частицу, предска-занную именно Хиггсом и получившую в его честь название «бозона Хигг-са», искали более полувека – гипотеза, обосновывающая её существование, была выдвинута в 1964 году, а экспериментально бозон Хиггса был «пойман» на том же Большом адронном коллайдере только летом 2012 года. Поэтому свою заслуженную награду весьма пожилые теоретики (Питеру Хиггсу было 84 года, а Франсуа Энглеру – 81) получили лишь недавно (Нобелевская пре-мия 2013 года). То ли потому, что бозон Хиггса столь долго искали, то ли потому, что некоторые физики считают его последним недостающим «кирпи-чиком» в Стандартной модели, бозон Хиггса в научно-популярной литерату-ре получил название «частицы Бога». Сам Питер Хиггс – атеист, но не лю-бит, когда его частицу называют божественной – это, по его мнению, оскор-бляет чувства верующих. Существует легенда, что сам он, может быть как раз в силу трудности экспериментального подтверждения существования бо-зона Хиггса, склонен был называть его, наоборот, «чертовой частицей».
Остается добавить, что квант последнего фундаментального взаимо-действия – гравитационного – не только до сих пор не найден, но даже тео-рия квантовой гравитации на настоящий момент времени не создана. Из-вестно лишь, что в соответствии с вышеупомянутой Стандартной моделью физики частиц, он должен быть безмассовым, и иметь название «гравитон». В силу данного обстоятельства гипотеза единства материи (см. выше) не мо-жет считаться прошедшей верификацию (см. раздел 1.2). Трудность будущего решения данной задачи колоссально увеличивается в силу того нового (буквально последних десятилетий) обстоятельства, что упоминавшаяся в разделе 1.4 «темная энергия» из-за вызываемого ею ускоряющегося расширения Вселенной (там же) по своей природе должна быть энергией отрицательной гравитации, т.е. силы отталкивания, а не притяжения. Следствие такого фа-кта – это ни больше, ни меньше, как пересмотр теории всемирного тяготения Ньютона! Поэтому развитие представлений о взаимодействии, равно как и о двух других, тесно связанных с этой научной категорией понятиях – материи и энергии (см. соответственно разделы 1.4 и 1.5) – как это, в соответствии с научным методом (см. раздел 1.2), и должно быть, завершенным считаться не может, и, похоже, не сможет в течение довольно долгого периода времени в будущем. Данная связь, точнее диалектическое единство всех этих трех главных научных терминов естествознания, иллюстрируется таблицей 1.3, представляющей собою общий «скелет» посвященных им трех последних разделов темы 1.
Таблица 1.3